科學家發現打破“一個細胞核，一個基因組”規則的真菌

基因組包含構建和維持生物體所需的完整信息庫——生命的具象藍圖。

在真核生物中，基因組存儲在細胞核中，在那里它們被組織成染色體。真核生物是一種生物體，其細胞具有被膜包圍的細胞核：植物、動物、真菌和許多微生物都是真核生物。

例如，人類基因組由 23 條染色體組成，每條染色體都包含完整遺傳密碼的一部分。

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直到最近，人們一直認為每個細胞核至少包含一組完整的染色體，因此“一個細胞核，一個完整的基因組”規則。

然而，我們的研究表明，在兩種真菌中，它們的基因組可以分裂成多個細胞核，每個細胞核只接收總染色體的一部分。

一個令人驚訝的發現

我們在不列顛哥倫比亞大學的實驗室研究真菌菌核菌核菌 Sclerotinia sclerotiorum，這是一種土傳病原體，會導致各種農作物（包括油菜籽、大豆和向日葵）出現莖腐病或白霉病。

盡管它對經濟作物有影響，菌核鏈球菌 S. sclerotiorum遺傳學和細胞生物學尚不清楚。

在試圖更好地了解這種真菌的生物學特性時，我們的實驗室對菌核鏈球菌 S. sclerotiorum細胞分裂和繁殖過程中的 16 條染色體。

大多數真核細胞是二倍體，這意味著細胞核包含每條不同染色體的兩個拷貝。在許多真菌中，例如面包酵母，繁殖始于親本二倍體細胞分裂形成單倍體孢子細胞，單倍體孢子細胞的一個細胞核容納每條染色體的一個拷貝。

然而菌核鏈球菌 S. sclerotiorum孢子，稱為子囊孢子，每個孢子都包含兩個獨立的細胞核。以前，假設每個細胞核都是單倍體，包含完整的 16 條染色體。這意味著每個子囊孢子總共包含 32 條染色體，類似于二倍體細胞。

使用熒光顯微鏡，我們能夠直接計算單個子囊孢子中存在的染色體數量。值得注意的是，我們始終只觀察到每個子囊孢子有 16 條染色體，這與當前“一個細胞核，一個完整基因組”理論預測的 32 條染色體相沖突。

此外，我們使用熒光探針標記特定的染色體，發現子囊孢子中的兩個細胞核含有不同的染色體。子囊孢子包含一組 16 條染色體，分為兩個細胞核，而不是每個細胞核包含一組完整的染色體。

不規則的方式

我們問的下一個問題是 16 條染色體是否隨機分布在兩個細胞核之間，或者這種基因組分裂是否遵循規則模式。

為了回答這個問題，我們分離了單個細胞核，并通過以下方式確定了哪些染色體存在聚合酶鏈反應 （PCR）分析。我們發現染色體組成在細胞核之間存在差異，這表明細胞核之間的染色體分裂是不規則的。

出于好奇，我們試圖調查其他真菌中是否也會出現類似的現象。灰霉病是同一科的另一種植物病原真菌菌核鏈球菌 S. sclerotiorum.

B. 灰熊產生分生孢子，通常有四到六個細胞核，而不是在子囊孢子中經常觀察到的兩個菌核鏈球菌 S. sclerotiorum.使用類似的方法，我們發現B. 灰熊基因組在細胞核之間類似地分裂，每個細胞核通常攜帶三到八條染色體。

這一觀察結果表明，單倍體基因組跨細胞核“分裂”發生在多種植物病原真菌中。然而，這種現象是否在真菌科甚至其他真核生物中傳播得更廣泛，還需要進一步研究。

未知的機制

觀察到菌核鏈球菌 S. sclerotiorum和B. 灰熊單倍體基因組在細胞核中劃分引發了關于這種分離如何在真菌生命周期的其余部分發揮作用的問題。

為了產生下一代，這些真菌需要用全套染色體改造二倍體細胞，從中可以產生新的子囊孢子。據推測，這需要細胞核與互補染色體融合才能重新組合基因組。那么這些真菌如何確保正確的細胞核融合呢？

也許最簡單的解釋是生存能力選擇：細胞核可以隨機融合，但只有那些具有完整基因組的細胞核才能產生活的子囊孢子。

這似乎效率低下，更具吸引力的情況將涉及某種結構或機制，以在初始分裂后將互補細胞核保持在一起，使它們能夠在真菌生命周期的后期輕松重新組裝。

我們希望我們未來的工作能夠為這些有趣的問題提供答案，并有助于拓寬我們對細胞核及其基因組基本動力學的理解。

這種理解的提高將使基因編輯發生巨大革命，使研究人員能夠隨意縱染色體和細胞核。

李昕， 植物學教授，不列顛哥倫比亞大學;埃丹·杰克遜， 博士生， 植物學，不列顛哥倫比亞大學和李志強， 碩士研究生， 醫學，不列顛哥倫比亞大學

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